跨雙幅高速公路大跨鋼管拱主梁施工方案設(shè)計與分析

賈潤中

(陜西高速集團(tuán)有限公司，西安 710054)

隨著我國經(jīng)濟(jì)與交通建設(shè)的迅速發(fā)展，道路交通分布網(wǎng)絡(luò)密布，在施工中存有許多跨線橋梁，為了不影響交通，往往采用轉(zhuǎn)體和搭設(shè)支架的方法施工。轉(zhuǎn)體需要設(shè)立嚴(yán)格的控制體系，技術(shù)難度與造價相對較高。搭設(shè)支架方便可靠，但影響交通，同時對支架的基礎(chǔ)要求較高。如何在不影響交通的前提下，對跨雙幅高速公路的大跨鋼管拱橋采用支架施工，文中以實體工程為依托，對跨雙幅高速公路的大跨鋼管拱橋施工支架進(jìn)行設(shè)計與驗算，以供參考。

1 工程概況

某鐵路鋼管拱橋為梁拱組合結(jié)構(gòu)體系(128 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁及鋼管混凝土系桿拱)，跨雙幅高速公路，主跨長128 m，拱肋按一次雙線設(shè)計，設(shè)計列車時速200 km/h，如圖1所示。主梁采用單箱三室箱型截面，跨中頂板寬為16.35 m，梁底寬13.69 m;拱座處11.50 m范圍內(nèi)頂板、腹板、底部分別進(jìn)行了加寬、加厚，其頂板寬為16.95 m，底板寬為14.85 m。為節(jié)省費用、方便施工，該鋼管拱設(shè)計施工方案擬為滿堂支架預(yù)留門洞法施工。鋼管拱的架設(shè)可以在形成剛性系桿的連續(xù)梁上進(jìn)行，拱的推力由連續(xù)梁系桿承受，使鋼管拱的架設(shè)安全可靠、簡便易行，拱的線型也比較容易控制，理論拱軸線采用二次拋物線，其方程式為:y=0.8x-0.006 25x2。由此確定跨高速公路大橋的鋼管拱施工順序為先梁后拱，連續(xù)梁施工結(jié)束后，搭設(shè)鋼管拱施工支架，然后拆除系桿梁、吊桿錨具部分支架，進(jìn)行吊桿施工及橋面系部分施工。

圖1 拱橋立面(單位:mm)

該梁施工方法采用先梁后拱法進(jìn)行，梁采用滿堂碗扣撐架和門洞支架形式現(xiàn)澆。對于支架基礎(chǔ)，用挖掘機(jī)對箱梁下方17 m寬度范圍內(nèi)松軟土全部挖除，采用含石量在60%以上的砂礫石換填，用推土機(jī)對場地全部進(jìn)行推平，并設(shè)置橫向單向橫坡，坡度控制在1%范圍內(nèi)，便于及時排除雨水，再用18 t振動壓路機(jī)碾壓6～8遍，孔隙率檢測值為10%。地基承載力為260 kPa，壓實度、橫坡調(diào)整到位后，在適當(dāng)位置澆筑一層15 cm厚C20混凝土。

碗扣式滿堂支架采用兩種形式，支架間距為:①距梁端11.5 m范圍內(nèi)，采用立桿間距為30 cm×60 cm，橫桿層距60 cm，120 cm交錯布置。②其余范圍，采用立桿間距為60 cm×60 cm，橫桿層距60 cm，120 cm交錯布置。碗扣式腳手架頂托上布設(shè)［14a的槽鋼，然后在槽鋼上鋪設(shè)底模。

跨雙幅高速雙行道處設(shè)置門洞支架，高速路與鐵路跨線橋成30°夾角，為保證高速路車輛的暢通，在其上設(shè)凈距6.0 m寬，5.0 m高的雙行車道門洞。為防止污染破壞高速路路面，澆筑混凝土?xí)r，其下鋪一層彩條布，起到隔離作用，兩側(cè)立柱采用30 cm×30 cm碗扣式支架，橫桿層距60 cm，120 cm交錯布置，支架頂部設(shè)I25b工字鋼作分配梁及支座，門架縱梁用間距80 cm的I40b工字鋼搭設(shè)，支架間設(shè)置剪刀撐。

施工支架構(gòu)造如圖2～圖6所示。

圖2 施工支架半布置示意

圖3 1-1(立桿間距30 cm×60 cm段)剖面(單位:m)

圖4 2-2(立桿間距60 cm×60 cm段)剖面(單位:m)

2 有限元模型建立

2.1 材料特性

立桿形式為 30 cm×60cm，橫桿層距60 cm，120 cm交錯布置，縱梁采用I40b工字鋼，主要材料的屬性見表1和表2。驗算荷載見表3。

圖5 Ⅰ-Ⅰ (門洞支架)剖面(單位:m)

圖6 Ⅱ-Ⅱ (門洞支架)剖面(單位:m)

表1 支架材料屬性

表2 門洞縱梁I40b工字鋼材料屬性

表3 驗算荷載

2.2 采用的單元與建模方法

由于模型支架計算量較大，采用子模型技術(shù)分段分析。支架單元采用管單元PIPE16、門洞橫梁采用梁單元BEAM44、對主梁采用SHELL43分段模擬。將整個系梁支架拆分為支架部分和門洞部分進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 支架分析

1)支架變形計算結(jié)果如圖7所示。由圖可知最大彈性變形為2.02 mm。根據(jù)規(guī)范可知，支架的壓縮變形值或彈性撓度的容許值為L/1 000，L為相應(yīng)結(jié)構(gòu)的計算跨度或高度，按照計算支架高度L=4.8 m計算，滿足變形限制要求。

2)支架的應(yīng)力分布結(jié)果如圖7所示。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，Q235鋼材抗拉、抗壓軸向容許應(yīng)力［σ0］=140 MPa，又由于臨時性結(jié)構(gòu)鋼材容許應(yīng)力應(yīng)乘以提高系數(shù)1.3，故抗拉、抗壓軸向容許應(yīng)力［σ］=140×1.3=182 MPa。由圖可知，最大壓應(yīng)力為 σ=86.8 MPa＜［σ］=182 MPa，滿足要求。

圖7 支架應(yīng)力

3.2 門洞分析

1)門洞支架變形計算結(jié)果如圖8所示，由圖可知最大彈性變形為3.02 mm。根據(jù)規(guī)范可知，支架的壓縮變形值或彈性撓度的容許值為L/1 000，L為相應(yīng)結(jié)構(gòu)的計算跨度或高度，按照計算支架高度L=4.8 m計算，滿足變形限制要求。

圖8 門洞支架變形

2)門洞支架的應(yīng)力分布結(jié)果如圖9所示。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，Q235鋼材抗拉、抗壓軸向容許應(yīng)力［σ0］=140 MPa，又由于臨時性結(jié)構(gòu)鋼材容許應(yīng)力應(yīng)乘以提高系數(shù)1.3，故抗拉、抗壓軸向容許應(yīng)力［σ］=140×1.3=182 MPa。由圖可知最大壓應(yīng)力為σ=74.2 MPa＜［σ］=182 MPa，滿足要求。

圖9 門洞支架應(yīng)力

4)門洞支架處縱梁為主要的承重構(gòu)件。其撓度計算結(jié)果可知最大變形為3.02 mm。根據(jù)規(guī)范可知，拱架、支架受載后撓曲的桿件(蓋梁、縱梁等)的容許撓度值為L/400，L為相應(yīng)結(jié)構(gòu)的跨度，則 L=8 m，13 mm＜20 mm，故變形滿足要求。

5)門洞縱梁的應(yīng)力計算結(jié)果?？v梁截面采用I40b工字鋼，材料仍為Q235，故容許應(yīng)力的求法同上?？芍畲罄瓚?yīng)力為 σ=1.2 MPa＜［σ］=182 MPa，故滿足要求。

4 結(jié)論

通過對支架和門洞工字橫梁進(jìn)行有限元分析，可以得到以下結(jié)論:

1)在支架質(zhì)量、地基質(zhì)量完全良好和梁體與支架均勻接觸的前提下，在所有驗算荷載的作用下，支架的剛度及立桿的應(yīng)力滿足要求;穩(wěn)定性也滿足要求。

2)實踐證明，施工期間，由碗口件與工字梁組成的跨線支架穩(wěn)固，且支架搭拆方便。本文提出的跨雙幅大跨鋼管拱的施工方法—先梁后拱滿堂支架門洞法，適用于跨徑大、梁體重、跨線幅寬、交通密度高等復(fù)雜條件的施工。具有費用低、拼拆簡單、施工方便、安全穩(wěn)定等特點，值得在今后的施工中推廣應(yīng)用。

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